月球起源的几种假说
自古以来,月亮在人们心目中的地位仅次于太阳。晴朗的夜晚,皓月当空,令人生出无限的情思遐想,文人墨客更是赋予月亮许多的笔墨。北宋词人苏东坡 《水调歌头》中的“明月几时有?把酒问青天。不和天上宫阙,今夕是何年。”;唐朝诗人张若虚 《春江花月夜》一诗中的“江上何人初见月,江月何年初照人”,都可称得上是脍炙人口的咏月佳句。
月球是离我们最近的一个天体,月球中心与地球中心的平均距离只有38.44 万公里,相当于地球半径的 60倍,或相当于 9 次多环球旅行的行程。
月球的平均直径是347.8 公里,大约是地球直径的 1/4。月球的面积是3800 万平方公里,差不多是地球面积的 1/14,比我们亚洲的面积略大一些。月球的体积是220亿立方公里,地球的体积几乎比它大49 倍。月球的质量大约等于地球质量的 1/81,也就是7350亿亿吨。月球的平均密度是每立方厘米3.34 克,只及地球密度的60%,相比之下,月球不如地球瓷实。
天文学家对月球的位置、运动规律和物理性质作了周密的研究,随科学技术的突飞猛进,又利用人造地球卫星、无线电技术、激光技术和计算机技
术对月球作了进一步的测量和考察,取得了大量更新、更丰富的资料。
尽管如此,对 “月球起源”这个十分古老的问题,今天的天文学家仍然是众说纷纭和语焉不详。这也难怪,对生我们养我们的地球,人们研究了几个世纪,到现在不也照样对它的起源知之甚少吗?
月球是怎样形成的?撇开人类早期那些不着边际的神话,如果将 18世纪以来的月球起源假说归纳起来,可以分为三类,即同源说、分裂说和俘获说。
同源说
同源说是最早出现的一种月球起源假说,它主张月球和地球具有相同的起源。18世纪法国天文学家布丰是这类起源说的最早代表。布丰认为:太阳系的所有天体起源于一次彗星对太阳的猛烈碰撞所撞下来的太阳碎块。稍后,德国的康德和法国的拉普拉斯提出了著名的太阳系起源的 “星云说”,认为月球和地球都是同一团弥漫物质形成的。这团弥漫物质的大部分形成地球,小部分形成月球,或者地球形成后剩余的物质形成了月球。按照这种理论,地球的年龄和月球的年龄应该不相上下。
近年来,科学家对 “阿波罗”宇航员们从月面采集的月岩样品作了放射性年代测定。结果证明,月球形成的时间和地球形成的时间相同,即都形成于46 亿年前。在这一点上,同源说获得了实验的支持。但同源说却无法解释为什么具有相同起源的地球和月球,在物质组成上显著的差异?它们的密度为什么不同?它也无法解释,与太阳系其他行星的卫星相比,月球所具有的一系列特征。譬如,其他卫星与中心行星的质量比都小于 1/10000,而月球与地球的质量比却高达 1/81,这在太阳系中没有第二例。同源说显然要对太阳星云中的地月形成区情况,做相当多的规定才行。
分裂说
英国著名生物学家、 “进化论”创始人达尔文之子乔治·达尔文,是英国剑桥的一位天文学家。他在研究地——月间的潮汐影响时,注意到由于潮汐作用,地球的自转速度在逐渐变慢,月球在逐渐远离地球。他由此推断月球在远古时一定离地球非常近。达尔文在 1879年发表了题为“太阳系中的潮
汐和类似效应”的文章,提出月球在形成之前是地球的一部分。他认为,在太阳系形成初期,地球还处于熔融状态时,地球的转速相当高,以致有一部分物质被从赤道区甩了出去。后来,这部分物质演化成为今天的月球,甚至还认为太平洋就是月球分出去后留下的疤痕。
有不少人支持达尔文的观点。据计算,月球的物质刚好能填满太平洋。支持者们认为,分裂出去的是上地幔物质,因此月球没有地球那样的金属核,密度与地壳接近也就变得合情合理了。另外,现代激光测距定出月球每年远离地球5 厘米,因而在遥远的过去,月球确实离地球近多了。
但是,这个罗曼蒂克的假说也遇到了重重困难。譬如,马尔科夫在研究太阳系中各天体时,注意到天体的扁率与它的自转速度、密度有关。要使地球上的物体在离心力作用下飞离出去,地球的自转速度必须是现在的 17倍。然而根据地—月系现状和角动量守恒定律,推算出的46 亿年前的地球自转率并不是那么快。况且,如果月球是从地球上飞出去的,那么,月球的轨道应该位于地球的赤道面上,而事实却不是这样。另外经过研究证明,熔融状态的地球根本不可能分出一部分物质去。即使退一步说,月球是从地球分裂出去的,那么在刚分出去的时候,也一定会受到地球的引力作用而产生很大的潮汐,最后还是会重新落到地球上来的。再有,对太平洋底部的研究,证明
它和其他海洋底部的结构相同,由洋底沉积的厚度及沉积速度来看,太平洋的年龄只有1亿年,和月球的年龄相差悬殊。
俘获说
鉴于同源说和分袭说所遇到的困难,瑞典天文学家阿尔文提出了 “俘获说”。该假说认为:月球和地球是在不同的地方形成的,一次偶然的机会,地球把运行到附近的月球俘获,成为自己的卫星。有人甚至干脆认为月球就是被地球俘获的小行星。这个颇富戏剧性的假说受到多数科学家的赞成,它很好地说明了地球和月球在物质组成上的差异,和不同于太阳系其他卫星的特征。
然而和上述其他两种假说一样,俘获说也有难以自圆共说的地方。首先是月球太大,地球俘获如此之大的一个天体是很难想象的,即使能抓住,轨道也不会像现在这样规则。
上述三种月球起源假说,可以说各有千秋,都能或多或少地解释月球的成分、密度、结构、轨道及其他基本事实。从目前来看,除分袭说遇到致命的问题,似乎难以成立外,俘获说和同源说这两种假说究竟哪一种更合理一些,还无定论。现有假说的困难,迫使天文学家不得不另辟蹊径,提出新的起源假说。
“大碰撞”假说
美国科学家本兹、斯莱特里,以及卡梅伦,于 1986年3 月在美国休斯顿举行的一次月亮和行星讨论会上,提出了一个崭新的、摆脱了上述三种假说框框的月球成因假说。该假说认为:在太阳系早期,行星际空间有大量的“星子”,星子经过碰撞、吸积而逐渐变大。大约在相当目前地—月系统存在的空间范围内,形成了一个质量大约相当于现在地球质量9/10 的原始地球,和一个火星般大小的天体。这两个天体在各自的演化中,均形成了以铁为主的金属核和以硅酸盐组成的幔和壳。由于这两个天体相距不远,一个偶然的机会,这两个天体发生了碰撞,剧烈的碰撞不仅使地球的轨道发生了偏斜,而且使火星般大小的撞击体碎裂,壳和幔受热蒸发,膨胀的气体 “裹胁”着尘埃飞离地球。这些飞离的物质中还包括少量的地幔物质。火星般大小的天体碰撞后,被分离的金属核因受胀飞离的气体阻碍而减速,被吸积在地球上。飞离的气体尘埃受地球的引力作用,一部分处于洛希极限内,一部分落在洛希极限外,呈盘状物出现。位于洛希极限外的物质通过吸积,先形成几个小天体,最后不断吸积,像滚雪球似的,形成了月球。
这一新的 “大碰撞”假说,在某种程度上兼容了三种经典假说的优点,并得到了一些地球化学、地球物理实验的支持。
由于大碰撞假说认为,月球是撞击后飞离的物质凝聚而成,这样就不必要求月球的运行轨道非要与地球赤道面重合不可。此外,由于月球的大小取决于飞离物质的多少,因此也不必考虑为什么地、月的质量比远大于其他行星和它的卫星了。
从物质组成看,由于该假说认为月球是由碰撞体和少量地幔组成的,这就了月球密度为什么较低,役有像地球那样的金属核。另外由于碰撞所产生的高温使易挥发的元素蒸发掉,从而也解释了月球上为什么富集难熔元素,而缺少易挥发元素。
目前,大碰撞假说还未得到天文学家的普遍承认,需要进一步改进和完善。这需要做很多工作。
天文学家无论是在讨论经典假说还是大碰撞假说时,都把月球看做是地球的一颗卫星,而不久前有人提出了一个新奇的观点,认为月球原来是太阳系的一颗行星。
月球行星论
美国著名地球物理学爱拜塞尔在 《地球》一书中提出:“近代太阳系形成学说确认月球是个正统的行星。实际上地球和月球是一个双星系统的关系,而绝不是从属于地球的母子关系。”他的证据是: (1)在形成年代上,月球略早于地球; (2)地、月的直径比和质量比相差不多,卫星与主体行星之间这样大的比值在太阳系中 “只此一家”;(3)地球属于类地行星,而类
地行星除地球和火星以外,其他的都无卫星;(4)月球并没有绕着地球旋转,而是伴着地球对转。在太阳系中,其他行星的公转轨道都是比较光滑的图形,唯有地球的公转轨道是波浪般的图形。
月球行星论产生了一定的反响。一些天文学家对此持有异议,我国紫金山天文台刘炎认为,这个结论过于武断了。他认为,月球形成的年代是否早于地球至今尚无定论,而且即使我们承认月球的 “年岁”高于地球,也不能就由此推论月球不是地球的卫星了。因为关于卫星和中心行星的 “年岁”是一种历史上的月地关系,而月球是否是地球的卫星,却是一个卫星的概念和定义的问题,是一种现实的月地关系。月球的质量虽大,但还是在其作为地球卫星所应有质量的合理范围之内;而月球相伴地球“对转”、地球轨道“波浪形”起伏,也完全符合力学规律,月球在它漫长的演化史上很可能曾经是一颗行星,但它现在确确实实是一颗卫星。
正像科学家所说的那样,宇宙间只有未被认识的事物,而绝没有不可认识的事物。随着人们在实践中认识的不断深化,月球是怎样产生的,月球是行星还是卫星这些问题,一定会弄清楚的。